В данной статье я бы хотел поделится своим опытом работы с одной малоизвестной коммерческой CAE программой.

Имя этой программе GiD , и перед тем, как перейти к описанию, хотелось бы коротко рассказать о том, как я пришел к ее использованию.

Пролог

Я являюсь студентом одного из технических факультетов, одного из сибирских ВУЗов. За ненадобностью (и просто от греха подальше) конкретизировать не стану. На факультете студентам некоторых кафедр преподается курс вычислительной механики. Разумеется, при качественном изучении подобной дисциплины, никак нельзя обойтись без соответствующего программного обеспечения, и таковое на кафедре имелось. Более того, оно на этой же кафедре было разработано, успешно выполняло свои функции (на протяжении многих лет) и на момент создания было, вполне актуальным.

Если конкретнее, то это был комплект из программы создания конечно-элементных сеток и пре/постпроцессинга (Pascal с использованием DOS графики), расчетной программы, базирующейся на методе конечных элементов (fortran 75) и оптимизатора сеток (тоже fortran). Взаимодействие между этими программами осуществлялось с помощью вооруженного знаниями и командной строкой студента.

Процесс создания сеток был не вполне удобным и очень трудоемким, как вообще-то и весь остальной процесс решения задач, с помощью этого программного комплекса. На фоне постоянно растущего многообразия различных современных CAE систем, комплекс этот стал выглядеть устаревшим, и возник вопрос о его замене. Начались поиски…

Сами поиски подробно описывать не стану, речь не об этом. Замечу лишь, что такой комбайн как ANSYS для этих целей не подходил (тем более для него на факультете был выделен аж целый один отдельный курс лекций). Среди многочисленных open source проектов тоже не было очевидного претендента, удовлетворяющего нашим требованиям. В конце концов, прислушавшись к совету своего научного руководителя, я начал присматриваться к GiD.

Персональный пре/постпроцессор

В итоге выяснилось, что этот комплекс представляет из себя:

1. графический препроцессор с довольно мощным аппаратом геометрического моделирования, дискретизации геометрических моделей и неплохими возможностями импорта геометрии и сеток из других CAE/CAD программ
2. неплохой и довольно простой графический постпроцессор, позволяющий анализировать результаты проделанных вычислений

Несколько скриншотов

Сразу отмечу одну из особенностей GiD, которая впоследствии и подтолкнула использовать ее для описанных во введении целей. В комплекте с GiD не поставляется ни одной расчетной программы, решающей те или иные задачи, зато имеется возможность использовать для этих целей любую стороннюю программу . Правильнее было бы назвать это не особенностью, а основной идеей.

Таким образом рассматриваемая программа представляет из себя универсальный пре/постпроцессор, который можно использовать для решения самых разнообразных задач.

Скорее всего, это не единственная программа, выполняющая такие функции, и я буду премного благодарен тем, кто приведет примеры. Но так уж вышло, что далее работать я стал именно с ней. Тем более демо-версия не накладывала никаких ограничений на срок работы с программой и на ее функциональность, кроме ограничения на количество используемых в сетке узлов (не более 1010 узлов). То есть для обучающих целей она могла использоваться, вообще говоря, бесплатно .

Цена продукта, кстати говоря, тоже весьма приемлема (только не нужно воспринимать эту информацию как рекламу). Вдобавок ко всему, разработчики предоставляют версии для различных платформ, что было очень удобно, так как я использую Ubuntu, а на машинах факультета стоят либо XP либо семерка.

Мы решили заменить устаревший пре/постпроцессор используемого нами программного комплекса GiD-ом, оставив ту же расчетную программу.

Как это работает?

Для того чтобы организовать связь между пре/пострпоцессорм GiD и некоторым решателем (уж простите, если кому режет слух, но в моем словарном запасе нет русского аналога слову solver ), используются гибкие и довольно простые механизмы, о которых я вкратце, на примерах расскажу.

Итак, мы имеем:

1. собственную расчетную программу расчета НДС пластин на базе МКЭ
2. коммерческий пре/постпроцессор

А необходимо нам сообразить из этого рабочую, простую и удобную CAE систему, пригодную для тех или иных целей (в моем случае обучение работе с подобными системами)

Подробные инструкции к этому процессу, как и руководство по работе в пре/постпроцессоре, подробно описано в мануалах, от разработчиков. На офсайте продукта вообще можно найти много доступной и полезной информации, от FAQ до материалов конференций, посвященных работе с GiD.А благодаря стараниям некой

Irene Grigorieva from University of Kemerovo

пользовательский мануал доступен на русском языке (хотя, на мой взгляд, это могли сделать и сами разработчики).

Я же затрону лишь основные аспекты.

Система шаблоннов

GiD осуществляет взаимодействие между своим препроцессором и решателем путем обмена файлами данных (ANSI типа). Если вы хотите использовать ее для работы с программой, которая в качестве входных данных для своих расчетов использует какие-либо не форматированные (или с закрытым форматом) файлы, то, скорее всего, у вас ничего не выйдет. Хотя возможно появится, а может быть уже появилось, какой-нибудь модуль/дополнение.

Для того чтобы передать информацию, о построенной (или импортированной) в препроцессоре модели во входной файл решателя, используется система шаблонов . Шаблон представляет из себя файл с расширением.bas, написанный, в соответствии с придуманными разработчиками правилами, который указывает препроцессору в каком виде нужно записать данные о сетке в файл.

Шаблон состоит из набора любых символов, в котором все символы, кроме ключевых слов, следующих за символом «* », GiD воспринимает, как простой текст, и в том же виде передает во входной файл.

Ниже в качестве пояснения представлено несколько примеров «шаблон – результат»

Пример 1. Вывод общего числа элементов и узлов сетки

myproblem.bas
Myprogram datafile NumberOfNode = *NPoin NumberOfElements = *NElems

projectname.dat
Myprogram datafile NumberOfNode = 12 NumberOfElements = 10

Пример 2. Список элементов

myproblem.bas
ElemsList Elem Node1 Node2 Node3 Material Elemtype *Loop elems *ElemsNum *ElemsConec *ElemsMat *ElemsTypeName *End elems

projectname.dat
ElemsList Elem /Node1 Node2 Node3 / Material 1 / 1 2 12 / 1 2 / 2 11 12 / 2 3 / 2 3 11 / 2 4 / 3 10 11 / 2 5 / 3 4 10 / 2 6 / 4 9 10 / 1 7 / 4 5 9 / 1 8 / 5 8 9 / 1 9 / 5 6 8 / 2 10 / 6 7 8 / 2

Пример 3. Создание переменных. Форматированный вывод.

myproblem.bas
*Set var pi= 3.1415926535897 *Set var circlelength *Set var radius=15 *format(IRadius=15, CircleLength=%5.3f) *operation(2*radius*pi)

projectname.dat
Radius=15, CircleLength=94.245

Думаю для наглядного объяснения, этих примеров должно хватить. На мой взгляд, все просто, и не требует от пользователя знания какого-либо языка программирования. Для того чтобы освоить основной набор лексем, используемых в шаблоне, хватит и нескольких часов.

В наборе этом присутствуют и стандартные циклы, и условия, и циклы по элементам, и messаge-box-ы, для уведомлениях об ошибках, и еще много чего. Если же стандартного набора не хватит, ввиду сложного формата входного файла, или необходимости реализации каких-то хитрых функций, то в шаблоне можно использовать процедуры, написанные на языке Tcl (как из идущей в комплекте библиотеки, так и написанные пользователем). Интерпретатор Tcl идет в комплекте, так что о его установке беспокоиться не придется.

Проблематика конкретной задачи

С сетками и шаблонами все понятно. Но для решения конкретной задачи этого мало, ведь у каждой задачи своя проблематика, а отсюда наличие различных типов (и способов их описания) материалов, граничных условий и прочих особенностей.

Для того чтобы можно было оперировать этим набором данных, опять таки нужно создавать текстовые файлы с соответствующими расширениями.

• .cnd - для описания используемых вами граничных условии
• .mat - для описания материалов, и третий
• .prb - для прочих параметров.

С созданием этих файлов все еще проще чем с шаблонами. Вот пример файла в котором описывается два граничных условия(нагрузка в узле, и начальное перемещение узла)

myproblem.cnd
CONDITION: Point-Move CONDTYPE: over points CONDMESHTYPE: over nodes QUESTION: X-Move VALUE: 0 QUESTION: Y-Move VALUE: 0 HELP:перемещение{см} END CONDITION CONDITION: Point-Force-Load CONDTYPE: over points CONDMESHTYPE: over nodes QUESTION: X-Force VALUE: 0.0 QUESTION: Y-Force VALUE: 0.0 HELP: Нагрузка{см} END CONDITION

После создания всех указанных выше файлов, нужно «сложить» их в папку с любым угодным вам именем (которое впоследствии будет использоваться в интерфейсе программы, в качестве идентификатора вашей задачи) и «расширением» .gid . Папку эту нужно поместить одну из подкаталогов программы GiD, при следующем запуске ваш тип задачи будет доступен для работы.

Проекты хранятся в папках с тем же «расширением» .gid . Туда же помещаются полученные с помощью шаблонов файлы данных, а так же дублируются файлы с граничными условиями и материалами (для возможности менять их применительно только к одному проекту). Шаблонов может быть сколь угодно много, и каждому из них будет соответствовать свой файл данных.

Готово! Как заводить?

Когда модель построена, сетка сгенерирована, граничные условия заданы – нужно запустить решатель. Чтобы это можно было сделать непосредственно из препроцессора, нужно написать простенький скрипт. При нажатии кнопки “Caclulate” в GiD, программа просто запустит этот скрипт с тремя параметрами (имя проекта, путь к папке проекта, путь к папке с определением типа задачи). В скрипте можете реализовать все, что вам не хватало, на CMD в Windows или на bash/sh в Linux.

А что же с постпроцессором?

С постпроцессором, к сожалению, все не так гибко. Он требует от расчетной программы, вывода данных в файлы, в угодном ему формате. Более удобной системы пока не придумали.

В моем случае эта проблема была решена созданием «конвертера», который, на основе выходных файлов нашей расчетной программы, создавал файлы, необходимые постпроцессору. Формат этих файлов подробно описан в мануалах, и создание такого «конвертера» не составит труда, при наличии минимальных навыков работы с файлами в любом языке программирования.

Подведение итогов

GiD может оказаться полезен тем, кто ищет простой и удобный пре/постпроцессор для решения самых разнообразных задач, но при этом не хочет обзаводиться такими гигантами как ANSYS (даже самый базовых комплект которого включает в себя много, порой лишних и ненужных инженерам/исследователям функций, за которые, хочешь не хочешь придётся платить).

Так же эта программа может стать выходом для тех, кто не может найти CAE, умеющую делать то, что им нужно, но при этом имеет собственный решатель (либо планирует его создать).

Надеюсь данный материал будет кому-то полезен.

Лекция 18. CAE системы

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Лекция 18. CAE системы
Рубрика (тематическая категория)	Электроника

Комплекс критериев сравнения систем КЭ-анализа

Основные факторы выбора CAE-систем - состав решаемых задач; достоверность результатов расчета; интеграция с CAD; легкость освоения. Этот общий перечень должен быть детализирован для каждой из областей применения систем.

Для систем CAE, как и для CAD-систем, можно выделить общие для всех (стандартные) возможности и дополнительные функции, реализованные лишь в отдельных системах. К общим показателям функциональности можно отнести число типов конечных элементов, число видов граничных условий, производительность как при подготовке модели, так и при решении типовых задач, а к дополнительным возможностям - задание граничных условий для задач КЭ-анализа непосредственно в модуле CAD с передачей в модуль CAE; возможности программирования (например, в ANSYS - язык APDL, в CFX - язык CEL) и т.п.

Пример комплекса критериев сравнения систем КЭ-анализа

Сравнительный анализ систем расчета конструкций, выполненный Советом Международных стратегий и менеджмента (Франция, 1992-1993 гг.), включал тестирование по 352 параметрам, в том числе˸

· удобство подготовки исходной информации;

· скорость автоматического формирования конечно-элементных моделей (плоских и пространственных);

· скорость решения системы линейных уравнений методом КЭ;

· состав библиотеки КЭ;

· возможность вычисления геометрических характеристик (моменты инерции при изгибе, кручении и сдвиге) для сечений произвольной формы;

· контроль расчетной модели для объектов, теряющих устойчивость в процессе нагружения;

В условиях выбора системы КЭ анализа для задач конкретного конструкторского бюро вряд ли возможно подробное исседование по столь большому числу показателей. Пример сокращенного набора тестов для относительно быстрой сравнительной оценки возможностей систем среднего уровня приведен в цикле статей А.Аведьяна и А.Данилина ʼʼПрочность не для прочнистовʼʼ [САПР и графика, 2000, №№ 1, 2, 3, 5].

Сравнительному анализу были подвергнуты системы ʼʼЗолотых партнеровʼʼ SolidWorks, полностью интегрированные в среду CAD-системы. Сравнение выполнено по 10 критериям˸

· Круг решаемых задач.

· Сложность решаемых задач (10 задач различных уровней сложности как в смысле геометрии модели, так и по содержанию анализа).

· Достоверность результатов (сравнение с известными аналитическими решениями нескольких задач - изгиб и колебания балки, прогиб круглой пластинки, растяжение вала с выточкой, нагрев толстостенного цилиндра и др.).

· Возможности задания граничных условий и нагрузок.

· Возможности работы с БД материалов.

· Степень влияния пользователя на точность расчетов.

· Доступность для инжнеров-конструкторов, не обладающих углубленной подготовкой в сфере прочности.

· Качество оформления результатов и удобство работы с отчетом.

Лекция 18. CAE системы - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Лекция 18. CAE системы" 2015, 2017-2018.

CAD-системы (computer-aided design- компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования- САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т.д.) Ведущие трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий. CAD-системы широко применяются в архитектуре, дизайне мебели и интерьера (системы ARC+ и Deco Design (Франция)), веб-дизайне.

CAМ-системы (computer-aided manufacturing- компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и д.р.) CAМ-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAМ-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

CAE-системы (computer-aided engineering- поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAE-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

PDM-технология (Product Data Management) предназначена для управления всеми данными об изделии и информационными процессами ЖЦ изделия, создающими и использующими эти данные. Управление информационными процессами ЖЦ представляет собой поддержку различных процедур, создающих и использующих данные об изделии (процедуры изменения изделия), т.е. фактически поддержку электронного документооборота (конструкторского документооборота). Для реализации PDM-технологии существуют специализированные программные средства, называемые PDM-системами (т.е. системами управления данными об изделии; другое название - системы управления проектами).

CAD/CAМ/CAE/PDM системы используются в машиностроении. Комплексная автоматизация проектно-конструкторских и технологических подразделений конструкторских бюро и промышленных предприятий машиностроения на базе современных компьютерных технологий.

CASE-технология (computer-aided software engineering) технология создания и сопровождения информационных систем. Термин CASE сегодня понимается достаточно широко. Первоначальное значение термина, ограниченное вопросами автоматизации разработки программного обеспечения (ПО), в настоящее время приобрело новый смысл

/CAE были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph. Поскольку мейнфреймы того времени были несовершенными, то появлялись определенные трудности. Интерактивный режим работы был практически недоступен из-за большой нагрузки на центральный процессор. Стоимость одной CAD /CAM /CAE системы составляла порядка $90000. С развитием прогресса аппаратные платформы CAD /CAM /CAE систем перешли с мейнфреймов на персональные компьютеры. Это было связано с меньшей стоимостью и большей производительностью ПК по сравнению с мейнфреймами. Закономерно снизилась и цена на CAD /CAM /CAE до $20000. На базе ПК создавались рабочие станции для CAD , которые поддерживали архитектуру IBM PC или Motorola. В середине 80-х годов появились архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computing). На их основе были разработаны более производительные рабочие станции, опиравшиеся на операционную систему Unix . С середины 90-х годов конкуренцию системам RISC /Unix составили технологии, разработанные компанией Intel на основе операционных систем MS Windows NT и MS Windows 2000 . В настоящее время стоимость CAD /CAM /CAE систем снизилась и составляет не более $10000.

Классификация

• Системы полнофункционального инженерного анализа, обладающие мощными средствами, большими хранилищами типов для сеток конечных элементов, а также всевозможных физических процессов. В них предусмотрены собственные средства моделирования геометрии. Кроме того, есть возможность импорта через промышленные стандарты Parasolid , ACIS . Полнофункциональные САЕ-системы лишены ассоциативной связи с CAD . Поэтому, если в процессе подсчета появляется необходимость изменить геометрию, то пользователю придется заново производить импорт геометрии и вводить данные для расчета. Самыми известными подобными системами считаются ANSYS/Multiphysics , AI*NASTRAN и MSC.NASTRAN .
• Системы инженерного анализа, встроенные в тяжелые САПР , имеют значительно менее мощные средства анализа, но они ассоциативны с геометрией, поэтому отслеживают изменения модели. Расчетные данные структурированы и интегрированы в общую систему проектирования тяжелой САПР . К ним относятся Pro/MECHANICA для Pro/ENGINEER , Unigraphics NX CAE для Unigraphics NX , Extensive Digital Validation (CAE) для I-deas , Catia CAE для CATIA ;
• Системы инженерного анализа среднего уровня не имеют мощных расчетных возможностей и хранят данные в собственных форматах. Некоторые их них включают в состав встраиваемый интерфейс в CAD -системы, другие считывают геометрию из CAD . К первым относятся COSMOS/Works , COSMOS/Motion , COSMOS/FloWorks для SolidWorks Трехмерная проектная среда , ко вторым - visualNastran , Procision .

Возможности САЕ

С помощью САЕ можно проводить:

• Прочностной анализ компонентов и узлов на основе метода конечных элементов;
• Термический и гидродинамический анализ;
• Кинематические исследования;
• Моделирование таких процессов, как литье под давлением;
• Оптимизацию продуктов или процессов.

Этапы работы с САЕ

• Предварительная обработка - определение характеристик модели и факторов внешней среды, которые будут на нее воздействовать;
• Анализ и принятие решения;
• Обработка результатов.

Отрасли применения

Наибольшей популярностью САЕ пользуются в следующих отраслях производства: машиностроение и станкостроение, оборонная и аэрокосмическая промышленность, энергетика, судостроение, производство полупроводников, телекоммуникации, химическая, фармацевтическая и медицинская промышленность, строительство, производство систем отопления, кондиционирования, вентиляции.

Опыт использования САЕ в автомобильной промышленности

Преимущество систем САЕ состоит в том, что автопроизводители могут проводить компьютерное тестирование разрабатываемых моделей. Это позволяет сосредоточить максимум внимания на повышении безопасности, комфортности и долговечности автомобилей, не затрачивая при этом финансовых средств. Безопасность пассажиров при столкновениях может быть оценена при помощи таких программных продуктов, как RADIOSS , LS-DYNA , PAM-CRASH .

Основные направления в развитии САЕ

В процессе развития САЕ разработчики стремятся увеличить их возможности и расширить сферы внедрения. Преследуются следующие цели:

• Совершенствование методов решения междисциплинарных задач моделирования;
• Разработка новых платформ для интеграции различных систем САЕ, а также для интеграции САЕ-систем в PLM -решения;
• Повышение интероперабельности САЕ и CAD систем;
• Совершенствование методов построения расчетных сеток, описания граничных условий, параллельных вычисление и т.д;
• Улучшение характеристик моделей, которые применяются для описания свойсв материалов;
• Оптимизация систем САЕ для компьютерных платформ с 64-битными и многоядерными процессорами, а тем самым улучшение условий для моделирования сложных конструкций с большим количеством степеней свободы.

Мировой рынок

По прогнозу TechNavio (весна 2013 года), рынок CAE в ближайшие пять лет будет ежегодно расти на 11,18% и к 2016-му достигнет 3,4 млрд. долл. Этот рост обусловлен целым рядом факторов, главный из которых - необходимость ускорения выпуска продукции на рынок. А основным тормозом, как и в случае CAD, является рост популярности систем с открытым исходным кодом, обусловленный высокой стоимостью лицензий на коммерческие CAE-системы.

Из географических регионов самым большим с точки зрения востребованности CAE в 2012-м стала Северная Америка, а по темпам роста первое место занял Азиатско-Тихоокеанский регион, в котором активно развивается промышленность.

Наибольшее распространение CAE-системы получили в автомобиле- и самолетостроении, электротехнике и электронике, тяжелом машиностроении и оборонной отрасли. Самый высокий рост спроса на CAE ожидается в автомобильной промышленности, а наименьший - в тяжелом машиностроении.

Ведущие позиции на рынке CAE занимают Ansys, MSC Software, Dassault Systemes, CD-adapco Group и LMS International. Кроме них в этой области работает немало менее крупных компаний, но число фирм, сосредоточенных только на CAE, сокращается, так как их покупают более крупные игроки ради их технологий.

В своем комментарии аналитики из TechNavio отметили, что некоторые крупные глобальные поставщики CAE и PLM начали продвигать `глобализованные` лицензии, которые позволяют купившим их заказчикам использовать CAE-системы в любой точке мира и обращаться за услугами поддержки в офис поставщика в любой стране. Это позволяет вендорам устранить разницу в стоимости своих продуктов в различных странах и продавать их по одной цене по всему миру. Аналитики ожидают, что данный подход будет применять все больше поставщиков CAE и PLM, и тогда на рынке произойдут значительные перемены с точки зрения ценовой политики вендоров.

Категории задач, для решения которых чаще всего применяются САЕ (computer aided engineering) системы. Архитектура и принцип работы стандартного САЕ-пакета, основные примеры систем: Salome, ANSYS (Swanson Analysis Systems) и MSC.Nastran, их характеристики.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Появление и последующее развитие технологий высокопроизводительных вычислений было вызвано необходимостью выполнения математических расчетов для различных исследований. Несмотря на то, что методы и алгоритмы этих расчетов не отличаются особой сложностью, объем самих вычислений настолько значителен, что небольшой группе исследователей практически невозможно выполнить их в приемлемые сроки и с должным качеством.

Первые инженерные пакеты были созданы в конце 60-х, начале 70-х годов именно для автоматизации рутинных вычислений. В англоязычной литературе такие пакеты обозначаются аббревиатурой CAE (computer aided engineering), а в России это понятие входит в состав САПР (системы автоматизированного проектирования). Задачи, для решения которых чаще всего применяются CAE-системы, можно разделить на следующие категории:

· прочностные расчеты различных деталей и узлов (расчет упругопластических деформаций и напряжений);

· гидродинамические расчеты (расчет характеристик различных одно- и многофазных течений, а также их эволюция во времени);

· термодинамические расчеты (расчет нагрева и остывания деталей и узлов);

· расчет электрических, магнитных и электромагнитных полей;

· различные комбинации предыдущих типов задач.

архитектура система принцип работа

1. Архитектура и принцип работы стандартного CAE-пакета

В основе большинства CAE-пакетов лежит метод конечных элементов. Идея этого метода заключается в замене непрерывной функции, описывающей изучаемое явление или процесс, дискретной моделью, которая строится на базе множества кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей. Каждая такая подобласть конечна и представляет собой часть (элемент) всей области, поэтому их называют конечными элементами . Исследуемая геометрическая область разбивается на элементы таким образом, чтобы на каждом из них неизвестная функция аппроксимировалась пробной функцией. Такое разбиение называется расчетной сеткой .

В качестве примера можно рассмотреть стальной цилиндрический прут, один конец которого помещен в огонь. Фрагмент прута, подверженный действию пламени, активно нагревается. То есть, на его цилиндрической поверхности действует источник тепла. Остальная часть прута нагревается только за счет явления теплопроводности - переноса тепла от горячих участков к более холодным. В самом грубом случае можно разделить прут на две части: с источником тепла на цилиндрической поверхности и с источником тепла в сечении цилиндра, параллельном основанию. Таким образом, одна комплексная (сложная) задача разбивается на две более простые.

Однако, получившиеся задачи всё равно слишком сложны для решения в общем виде, так как их решения представляют собой сложные экспоненциальные зависимости от координат и времени. Для упрощения можно разделить прут на более мелкие фрагменты (элементы), причем в элементах рядом с поверхностью задать выделение тепла во всем их объеме, а не только на границе (при выполнении определенных условий это оправдано), а в остальных элементах, ввиду их малости, искать приближенное решение в виде более простой зависимости (линейной или квадратичной). В этом случае сложная система дифференциальных уравнений для элемента сводится к более простой системе алгебраических уравнений. При таком подходе найти решение для каждой отдельной задачи будет намного проще.

Сложность подобного подхода заключается в необходимости решения большого количества таких упрощенных задач. В современных задачах используются сетки с десятками и сотнями миллионов элементов. Поэтому инженерные пакеты создаются с использованием технологий параллельного программирования, чтобы обеспечить необходимую вычислительную мощность.

Создание хорошей расчетной сетки также представляет собой нетривиальную задачу. Это связано с тем, что реальные детали машин имеют сложную геометрию и необходимо разделить их на такие элементы, чтобы приближенные решения не сильно отличались от точных. Поэтому, кроме самих CAE-пакетов, существует большое число приложений, выполняющих всего одну важную функцию: построение расчетной сетки. В англоязычной литературе подобные приложения называются mesher .

Модуль, отвечающий за решение системы уравнений, соответствующей сформированной сетке, называется решателем (в англоязычной литературе: solver ). Он получает все исходные данные и обрабатывает их на основе реализованных в нем методов.

В настоящее время компьютерное моделирование при помощи CAE-систем составляет значительную долю работы в любом серьезном научном или инженерном проекте. На рынке CAE-систем присутствуют известные коммерческие решения, например, ANSYS, Deform, Simulia (ранее Abaqus) и другие. Стоимость лицензий этих продуктов исчисляется сотнями тысяч и миллионами рублей, однако существуют и CAE-системы, относящиеся к свободному ПО.

Среди свободных CAE-пакетов наиболее известны: Salome, OpenFoam, Elmer. В качестве основных минусов этих пакетов можно отметить непроработанный интерфейс и отсутствие документации, особенно на русском языке. Впрочем, возможность их использования на любом количестве процессоров без каких-либо финансовых затрат на приобретение делает cвободные CAE-системы весьма привлекательными для использования в небольших компаниях и учебных заведениях.

2. Примеры CAE -систем

Salome

Большинство CAE-пакетов представляют собой законченные программные комплексы, содержащие в себе все, что необходимо для выполнения конечно-элементного моделирования. Salome - это платформа, предоставляющая функции предварительной и окончательной обработки задачи (pre-processing и post-processing ), т.е. есть определения геометрии, построения сеток, определение «траектории» вычислений, визуализацию результатов и т.д. В ней отсутствуют самые важные компоненты - решатели, но платформа Salome может расширяться за счет сторонних свободных или коммерческих модулей.

Основное предназначение платформы Salome - это создать некую унифицированную среду, после изучения которой пользователь сможет выполнять обработку исходных и полученных данных в привычной оболочке, вне зависимости от используемого решателя. Существует возможность подключить к данной оболочке решатели ANSYS и других коммерческих пакетов с помощью написания специальных модулей или управляющих сценариев, которые можно писать на языках Python или C++.

Внутренним языком платформы является Python, причем в самой платформе имеется встроенная консоль Python, которая может использоваться для выполнения пользовательских сценариев и автоматизации обработки множества типовых задач (пакетной обработки).

A NSYS

Конечноэлементный пакет. Фирма ANSYS,Inc. в течение 35 лет является одним из лидерhttp://www.ansys.ru/ов САЕ-рынка, разрабатывает и предлагает широкую линейку программных продуктов для автоматизированного инженерного анализа. Основанная г-ном Джоном Свонсоном, первоначально фирма называлась Swanson Analysis Systems, и предалагала только универсальный конечно-элементный комплекс ANSYS. Позднее программа дала имя и самой фирме. На сегодняшний день фирма является лидером рынка расчётных систем как по объёму продаж, так и по количеству используемых по всему миру рабочих мест её програмного обеспечения, и широте линейки и применимости программных продуктов: ANSYS, AutoDYN, CFX, Fluent, ICEM, Maxwell. Это лишь краткий список.

Линейка продуктов ANSYS широка и обеспечивает все нужды расчётчика на всех этапах его работы, начиная с построения или модификации геометрической и сеточной модели, далее переходя к эффективному решению задачи, и заканчивая обработкой, представлением и документированием результатов. ANSYS решает является инструментом для решения задач прочности, теплофизики, электромагнетизма.

MSC.Nastran

Общая характеристика . Главный продукт компании MSC.Software - MSC.Nastran - это лучшая на рынке конечно-элементная программная система. В сфере, где ненадежные результаты могут обернуться миллионами долларов дополнительных расходов на разработку, MSC.Nastran вот уже более 30 лет доказывает свою точность и эффективность. Постоянно развиваясь, он аккумулирует в себе достоинства новейших методик и алгоритмов и поэтому остается ведущей программой конечно-элементного анализа.

MSC.Nastran обеспечивает полный набор расчетов, включая расчет напряженно - деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и неустановившихся процессов, акустических явлений, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, расчет критических частот и вибраций роторных машин, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок, спектральный анализ и исследование аэроупругости. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композитные и гиперупругие. Расширенные функции включают технологию суперэлементов (подконструкций), модальный синтез и макроязык DMAP для создания пользовательских приложений.

Наряду с расчетом конструкций MSC.Nastran может использоваться и для оптимизации проектов. Оптимизацию можно проводить для задач статики, устойчивости, установившихся и неустановившихся динамических переходных процессов, собственных частот и форм колебаний, акустики и аэроупругости. И все это делается одновременно путем вариации параметров формы, размеров и свойств проекта. Благодаря своей эффективности алгоритмы оптимизации обрабатывают неограниченное число проектных параметров и ограничений. Вес, напряжения, перемещения, собственные частоты и многие другие характеристики могут рассматриваться либо в качестве целевых функций проекта (этом случае их можно минимизировать или максимизировать), либо в качестве ограничений. Алгоритмы анализа чувствительности позволяют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального решения.

Широкие возможности функции оптимизации MSC.Nastran позволяют использовать его для автоматической идентификации компьютерной расчетной модели и эксперимента. Целевая функция определяется в виде минимизации рассогласования результатов расчета и эксперимента, варьируемыми параметрами выбираются наименее достоверные расчетные параметры конструкции. Как результат оптимизации MSC.Nastran выдает новую компьютерную модель, полностью соответствующую экспериментальной модели. MSC.Nastran - единственная из конечно-элементных программ, способная делать это автоматически.

MSC.Nastran также включает уникальную функцию оптимизации конструкции с неограниченными изменениями ее геометрической формы (изменение геометрической топологии объекта) при минимизации веса и удовлетворении граничным условиям по прочности. Данная функция позволяет использовать MSC.Nastran для автоматического проектирования силовых схем конструкций, когда на основе объемной массивной заготовки MSC.Nastran автоматически создает ажурную оптимальную конструкцию, максимально удовлетворяющую заданным условиям.

Применяется MSC.Nastran также и для планирования экспериментов (определения мест расположения датчиков) и оценки полноты полученных экспериментальных данных.

С помощью MSC.Nastran решаются также задачи моделирования систем управления, систем терморегулирования с учетом их воздействия на конструкцию.

На основе возможностей автоматического рестарта в MSC.Nastran проводятся сложные многошаговые исследования работы конструкции как при изменении условий нагружения, граничных условий и любых других параметров конструкции, так и при переходе от одного вида анализа к другому.

Основу MSC.Nastran составляют отработанная технология элементов и надежные численные методы. Программа позволяет одновременно применять в одной и той же модели h- и p-элементы для достижения точности расчета при минимальных компьютерных ресурсах. Элементы супер высокого порядка аппроксимации - p-элементы - хорошо отражают криволинейную геометрию конструкции и обеспечивают высокую точность при детальном расчете напряжений. Эти элементы автоматически адаптируются к желаемому уровню точности. Численные методы разреженных матриц, используемые при любом типе расчетов, резко повышают скорость вычислений и минимизируют объем требуемой дисковой памяти, что повышает эффективность обработки данных.

Тесная связь MSC.Nastran с MSC.Patran обеспечивает полностью интегрированную среду для моделирования и анализа результатов. Все ведущие производители пре - и постпроцессоров, а также систем автоматизированного проектирования, учитывая неоспоримое лидерство MSC.Nastran на рынке конечно-элементных программных продуктов, предусматривают прямые интерфейсы с этой системой. В результате MSC.Nastran гибко интегрируется в любую имеющуюся у Вас среду проектирования.

MSC.Nastran работает на персональных компьютерах, рабочих станциях и суперкомпьютерах, предусматривает возможности векторной и параллельной обработки данных на ЭВМ, которые поддерживают эти функции.

MSC.Nastran - это:

Эффективность решения больших задач за счет:

· Применения алгоритма обработки "разреженных" матриц

· Автоматической внутренней перенумерации матриц для уменьшения ширины ленты

· Возможности применения "рестарта" с целью использования уже полученных к этому моменту результатов

· Применения алгоритмов параллельных и векторных вычислений

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Внедрение технологии Computer-to-Plate. Образование печатных элементов на формных пластинах с помощью засветки пластин лазерным лучом и химической обработки. Формовыводные устройства для лазерной записи офсетных печатных форм, их характеристики.

реферат , добавлен 21.01.2010


Для решения задач теплопроводности применяют аналитические методы и численный метод. Чаще применяются: метод Фурье, метод источников и операторный метод. Уравнение процесса, удовлетворяющее дифференциальному уравнению теплопроводности и краевым условиям.

учебное пособие , добавлен 05.02.2009


Инженерные сети и системы. Структура систем автоматического управления. Структура систем телемеханики, основные функции и задачи. Принцип работы висцинового фильтра, регулятора высокого давления прямого действия. Одоризационная установка капельного типа.

курсовая работа , добавлен 17.10.2013


Технические характеристики и показатели оформления издания. Основные понятия о плоской офсетной печати. Разновидности ее форм. Классификация формных пластин для технологии Computer-to-Plate. Выбор оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры.

курсовая работа , добавлен 21.11.2014


Основные характеристики ротора компрессора К398-21-1Л. Определение собственных частот и форм колебаний. Модальный анализ блочным методом Ланцоша. Статический расчет рабочих колес. Возможности решения контактных задач в программном комплексе ANSYS.

курсовая работа , добавлен 20.06.2014


Назначение системы водяного охлаждения. Упаковка и комплектация продукции компании. Внутренняя структура ватерблока. История развития радиаторных систем. Основные характеристики устройства, принцип работы, тестирование. Техническое обслуживание систем.

курсовая работа , добавлен 13.02.2012


Основные понятия и определения алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ) как комплексной программы алгоритмического типа, основанной на законах развития технических систем. Классификация противоречий, логика и структура АРИЗ. Пример решения задачи.

реферат , добавлен 16.06.2013


Основные виды экономической деятельности, в которых применяются информационные технологии. Особенности технологий мобильного предпринимательства. Роль и место автоматизированных информационных систем в экономике. Информационная модель предприятия.

контрольная работа , добавлен 19.03.2008


Системы вытяжной вентиляции с естественным побуждением. Неисправности вентиляционных систем. Схема выпуска канализации из здания. Схема насосной системы отопления, принципы ее работы и причины присоединения расширительного сосуда с обработкой магистрали.

контрольная работа , добавлен 10.10.2014


Особливість виготовлення флексографських друкованих форм за технологією Computer to Plate. Аналіз схеми прямого лазерного гравірування. Технологія одержання флексографської друкованої форми при використанні прямого запису зображення на формний матеріал.